共享內存詳解

一、什麼是共享內存

在多進程或多線程編程中，進程或線程間數據共享是必不可少的，而共享內存是其中一種實現方式。共享內存是指允許多個進程訪問同一塊物理內存區域的機制，這個物理內存區域被所有的進程所映射，進程間可以直接讀寫，因此在進程間共享數據的時候不需要進行數據的複製。

共享內存可以提高程序的執行效率，有效地縮短多進程或多線程通信的開銷。它與其他通信機制相比，具有高效、快速、方便等優點。

具體實現時，需要對內存進行特殊的申請和管理，通常使用Unix/Linux提供的共享內存API來完成開發。下面將分別詳細介紹共享內存的申請、讀寫和釋放等操作。

二、共享內存的申請

共享內存通常需要以下幾個步驟：

1、使用shmget函數獲取共享內存的ID。

int key = 1234;  /* 共享內存在系統中所擁有的唯一標識 */
int size = 1024; /* 共享內存的尺寸 */
int shm_id;      /* 用於保存返回的共享內存ID */
if ((shm_id = shmget(key, size, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666)) == -1) {
    perror("shmget");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

shmget函數根據key參數獲取共享內存的ID，size參數指定共享內存的大小，IPC_CREAT和IPC_EXCL標誌告訴系統要創建新的共享內存段，並且如果共享內存的ID已存在，則將創建失敗。最後一個參數指定許可權。

2、使用shmat函數將共享內存映射到進程的地址空間。

int *shm_addr; /* 指向共享內存區域的指針 */
if ((shm_addr = shmat(shm_id, NULL, 0)) == (int*)-1) {
    perror("shmat");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

shmat函數將共享內存映射到當前進程的地址空間，返回共享內存首地址，如果返回-1，表示映射失敗。

至此，共享內存已經被成功申請並映射到了進程的地址空間，下一步就可以進行讀寫了。

三、共享內存的讀寫

讀寫共享內存比較簡單，它能像普通的內存一樣被讀寫。讀寫時需要注意同步和互斥，以免多個進程同時訪問同一塊共享內存，導致數據不一致問題。

共享內存的讀寫代碼示例：

/* 寫共享內存 */
int data = 1234;
*shm_addr = data;

/* 讀共享內存 */
int read_data = *shm_addr;

在進行讀寫共享內存的時候，可以使用信號量或者互斥鎖進行同步操作，確保在進程訪問共享內存時不會出現互相衝突。

四、共享內存的釋放

共享內存使用完之後需要進行釋放，否則共享內存會一直佔用系統資源。共享內存的釋放需要執行以下代碼：

if (shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL) == -1) {
    perror("shmctl");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

if (shmdt(shm_addr) == -1) {
    perror("shmdt");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

shmctl函數將共享內存標記為待刪除狀態，當所有進程都將其脫離地址空間後，系統會自動刪除該共享內存。而shmdt函數則是將共享內存與進程的地址空間分離，但不會刪除共享內存。如果沒有使用shmdt函數進行分離操作，在進程結束後共享內存仍然會一直存在。

在以上操作中，需要注意對共享內存的多次讀寫，需要使用信號量或者互斥鎖進行同步，以免讀寫時數據出現衝突。另外，在使用共享內存時也需注意內存泄漏等風險問題。